专利名称：一种基于多传感器协同的低功耗人员区域定位方法
技术领域：
本发明属于无线通信领域，涉及一种人员区域定位方法，尤其是涉及一种基于多传感器协同的低功耗人员区域定位方法。
背景技术：
精确的区域位置信息在很多应用场景中起着非常重要的作用，如景区游客导览，办公场所人员定位追踪等，用户并不关注具体的位置坐标，精确的区域位置信息对此类应用更加有效。在区域定位技术中，传统的基于测距的定位技术需要较多基础设施的支持，如红外、声波、超声波等基于测距的定位算法均依赖基础设施的部署，在大规模或者基础条件受限的应用场景中难以应用和部署。基于场景分析的定位技术需要大量的人工干预去建立指纹库，需要较高计算复杂度的模式匹配算法去实现在线定位，而且当环境变化需要重新更新指纹库，对大规模的应用场景并不合适。传统的基于接近判断的定位算法易于实现和部署，但是定位的误差较大，一般在2到5米之间，而且定位的精度依赖于已知位置节点的部署，在需要精确区域定位的场景中并不能满足应用需求。另外，目前的定位技术并没有关注整个定位过程中存在的功耗代价问题，定位系统中的目标节点和已知位置信息节点通常处于连续工作状态。在一些基础条件受限的应用场景中，定位系统的工作寿命是关注的主要问题，如何能够降低定位的功耗代价，尽量延长定位系统的生命周期也是区域定位中需要关注的一个重要问题。针对目前的定位技术在实现精确的区域定位中存在的依赖基础设施、定位精度有限以及定位功耗代价较大的问题，提出了 一种基于多传感器协同的低功耗人员区域定位技术，通过多传感器的协同工作实现人员精确的区域定位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多传感器协同的低功耗人员区域定位方法，旨在解决目前定位技术在区域定位方面依赖较强的基础设施、定位精度不足和功耗代价较大的问题。本发明结合被动红外技术和低频唤醒技术实现对人员的低功耗区域定位，一种基于多传感器协同的低功耗人员区域定位方法，应用于包括低功耗边界定位装置、低功耗接收器、标签卡、以及服务器组成的系统中，具体步骤包括:(I)在区域边界部署低功耗边界定位装置，在区域内部署低功耗接收器，被定位人员携带标签卡，上述设备都可以支持低功耗工作，由电池供电；(2)区域边界部署的低功耗边界定位装置与区域内部署的低功耗接收器周期性通信，保持时间同步，维持相同的工作周期T_CyCle，标签卡处于低功耗休眠状态；(3)低功耗边界定位装置检测到人员经过区域边界时，唤醒被定位人员携带的标签卡，记录标签卡经过区域边界事件信息，并将该信息发送至服务器；(4)被定位人员携带标签卡进入区域后与区域内部署的低功耗接收器保持周期性通信；(5)被定位人员携带标签卡离开区域后，标签卡与区域内的低功耗接收器间的周期性通信中断，标签卡重新进入低功耗休眠状态，等待被其它区域的低功耗边界定位装置唤醒。所述低功耗边界定位装置包括人员检测模块、低频激励模块、第一射频通信模块和第一控制模块:所述人员检测模块检测人员经过区域边界时，向第一控制模块发送检测信号；所述的第一控制模块根据接收的检测信号控制低频激励模块向标签卡发送低频激励信号、控制第一射频通信模块与标签卡和区域内部署的低功耗接收器的相互通信；所述的低功耗边界定位装置的工作过程具体包括以下步骤:(al)被定位人员携带标签卡经过区域边界时，进入人员检测模块的检测范围后，低功耗边界定位装置被唤醒；(a2)低功耗边界定位装置被唤醒后，控制低频激励模块发送低频激励信号以激活人员携带的标签卡；(a3)低功耗边界定位装置接收到标签卡发送的请求信息后，回复时间同步及区域内部署的低功耗接收器的工作周期T_CyCle等信息，记录标签卡经过区域边界事件信息，并将该信息发送至服务器；(a4)被定位人员携带标签卡离开区域经过边界时，低功耗边界定位装置被再次唤醒，发送低频激励信号激活标签卡，接收到标签卡的信息后记录标签卡经过区域边界事件信息，并将该信息发送至服务器。所述标签卡包括低频接收模块、第二射频通信模块和第二控制模块:所述低频接收模块监听低频激励信号，并将接收的低频激励信号发送给第二控制模块；所述第二控制模块根据接收的低频激励信号控制第二射频通信模块与所述低功耗边界定位装置和所述低功耗接收器相互通信；所述的标签卡的工作过程包括以下步骤:(bl)标签卡在服务器端与被定位人员进行绑定；(b2)被定位人员携带标签卡经过区域边界时，标签卡接收到低功耗边界定位装置发送的低频激励信号后被唤醒；(b3)标签卡被唤醒后向低功耗边界定位装置发送请求信息，接收到低功耗边界定位装置的回复信息后与低功耗边界定位装置进行时间同步，维持相同的时间相位Ψ和工作周期T_cycle ；(b4)标签卡进入区域后进行周期性的工作，工作周期为T_CyCle，监听并记录个区域内部署的低功耗接收器广播的信标帧，连续N个周期接收到低功耗接收器R_domain的平均信号强度最强，且平均信号强度大于进入区域阈值RSSI_in，则标签卡判断已经进入R_domain对应的区域，向低功耗接收器R_domain发送进入区域事件信息,标签卡进入区域内状态，其中N为大于I的自然数；(b5)标签卡处于区域内状态时，与低功耗接收器R_domain保持周期性通信，接收到低功耗接收器R_domain的信标帧时回复心跳包，表明标签卡仍处于低功耗接收器R_domain对应的区域内；(b6)被定位人员携带标签卡离开区域经过区域边界时，标签卡接收到低功耗边界定位装置发送的低频信号后被再次激励，唤醒后向低功耗边界定位装置发送请求信息；
(b7)标签卡离开区域后，与低功耗接收器R_domain的通信被中断，若连续M个周期没有接收到低功耗接收器R_domain的信标帧或者接收到信标帧的信号强度小于离开区域阈值RSSI_out，则标签卡重新进入低功耗休眠状态，其中M为大于I的自然数。所述的低功耗接收器包括第三射频通信模块和第三控制模块，低功耗接收器周期性工作，工作周期为T_cycle，广播信标帧并监听标签卡的回复信息，产生标签卡进入区域事件信息或者离开区域事件信息，并将该信息发送至服务器，包括以下步骤:(Cl)工作周期开始后，低功耗接收器广播信标帧，广播完成后进入监听状态，等待接收进入区域内的标签卡的回复信息；(c2)接收到标签卡发送的进入区域事件信息，记录进入区域的标签卡相关信息，产生标签卡进入区域事件信息，并将该信息发送至服务器；(c3)接收到标签卡回复的心跳包，则更新记录的标签卡相关信息；(c4)监听时间结束后，遍历记录的进入区域的标签卡信息，若连续M个周期没有接收到标签卡的心跳包或者接收到心跳包的信号强度小于设定的离开区域阈值RSSI_out，则判断标签卡已经离开区域，产生标签卡离开区域事件信息，并将该信息发送至服务器；其中M为大于I的自然数；(c5)遍历完成后，低功耗接收器进入休眠状态，等待下一工作周期的开始。 与现有技术相比，本发明的有益效果体现在:本发明通过人员检测技术、低频唤醒技术实现对人员精确的低功耗区域定位，不仅可以解决目前区域定位技术误差较大的问题，而且可以降低定位过程中的功耗代价。
图1为本发明的基于多传感器协同的低功耗人员区域定位方法设备部署示意图。图2为部署在区域边界的低功耗边界定位装置模块功能图。图3为被定位人员携带的标签卡的功能模块图。图4为被定位人员携带标签卡进入区域时各设备的工作序列图。图5为被定位人员携带标签卡离开区域时各设备的工作序列图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及功能特性更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限定本发明。本发明提供了一种基于多传感器协同的低功耗人员区域定位方法。通过人员检测技术和低频唤醒激励技术实现精确的、低功耗人员区域定位方法。图1是基于多传感器协同的低功耗人员区域定位方法的设备部署示意图。如图所示，低功耗人员区域定位技术包含三个设备:标签卡、区域边界部署的低功耗边界定位装置和区域内部署的低功耗接收器。被定位人员携带的标签卡包括低频接收模块、第二射频通信模块和第二控制模块，功能模块图如图3所示。标签卡初始处于低功耗休眠状态，通过低频接收模块监听低功耗边界定位装置发送的低频激励信号。标签卡接收到低频激励信号后被唤醒，与低功耗边界定位装置通信进行时间同步。进入区域后依据与区域内部署的低功耗接收器的通信情况判断进入和离开区域，当通信情况满足进入区域条件时向接收器发送进入区域事件包，当通信情况满足离开区域条件时标签卡进入低功耗休眠状态。区域内部署的低功耗接收器包括第三射频通信模块和第三控制模块，低功耗接收器周期性工作，工作周期为T_cycle。工作周期开始后，广播信标帧，包含低功耗接收器ID、时间戳、帧序列号等信息。广播完成后，低功耗接收器进入监听状态，接收标签卡的回复信息，依据接收到的信息产生标签卡进入区域事件信息和标签卡离开区域事件信息，并将该信息发送至服务器。部署在区域边界的低功耗边界定位装置主要负责激励标签卡并记录标签卡经过区域边界信息。低功耗边界定位装置的功能模块框图如图2所示，包含四个模块:人员检测模块、低频激励模块、第一射频通信模块和第一控制模块。人员检测模块采用被动红外技术，被动红外传感器负责检测人员经过区域边界，低频激励块发送低频激励信号唤醒标签卡。第一射频通信模块负责与区域内的低功耗接收器及标签卡相互通信。图4是被定位人员携带标签卡进入区域时各设备的工作序列图。进入区域事件包括三个过程:经过区域边界、进入区域及在区域内停留过程。其中，A处表示标签卡进入低功耗边界定位装置的人员检测范围。被定位人员携带标签卡经过区域边界时，触发低功耗边界定位装置的被动红外传感器，人员检测外模块唤醒低功耗边界定位装置。低功耗边界定位装置被唤醒后控制低频激励模块周期性的连续发射125KHZ低频激励信号。处于低功耗休眠状态的标签卡接收到低频激励信号后被唤醒，向低功耗边界定位装置发送请求包，接收到低功耗边界定位装置的回复信息后进行时间同步，维护相同的时间相位Ψ和工作周期T_cycle。同时，低功耗边界定位装置记录标签卡经过区域边界事件信息，并将该信息发送至服务器。标签卡进入区域后与部署在区域内的低功耗接收器保持周期性的通信，连续监听各区域内部署的低功耗接收器广播的信标帧。若连续N (N为大于I的自然数，可根据实际需要确定)个周期内接收到低功耗接收器R_domain的信号强度最强，且平均信号强度大于进入区域阈值RSSI_in，则判断进入低功耗接收器R_domain对应的区域，向低功耗接收器R.domain发送进入区域事件信息，包括标签卡ID、进入区域时间等信息，标签卡进入区域内状态。低功耗接收器R_domain接收到标签卡进入区域事件包后，记录进入区域的标签卡信息，并将标签卡进入区域事件信息发送至服务器。标签卡在区域内停留时，接收到低功耗接收器R_domain的信标帧后回复心跳包，表明标签卡仍处于区域中。低功耗接收器R_domain接收到心跳包后更新维护进入区域标签卡列表。图5是被定位人员携带标签卡离开区域时各设备的工作序列图。被定位人员标签卡离开区域经过区域边界时，同样触发低功耗边界定位装置的被动红外传感器，标签卡被激活后向低功耗边界定位装置发送请求信息，低功耗边界定位装置接收到标签发送的信息后记录标签卡经过区域边界事件，并将该信息发送至服务器，其中B点处为离开区域时进入低功耗边界定位装置的人员检测范围。经过区域边界后，标签卡与区域内的低功耗接收器R_domain的通信减弱或者中断，若连续M (M为大于I的自然数，可根据实际需要确定)个周期内没有接收到低功耗接收器R_domain的信标帧或者接收到信标帧的信号强度小于离开区域阈值RSSI_out，标签卡判断离开区域，进入低功耗休眠状态。低功耗接收器R_domain连续M个周期内没有接收到标签卡的心跳包或者接收到心跳包的信号强度小于离开区域阈值RSSI_out，则判断标签卡离开区域，产生标签卡离开区域事件并将该信息发送至服务器。在服务器端结合低功耗边界定位装置发送的标签卡经过区域边界事件信息和低功耗接收器R_domain发送的标签卡进入和离开区域事件信息得到标签卡的实时位置。以上公开的仅仅是本发明的具体实施例，但本发明并不仅限于此实施例，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于多传感器协同的低功耗人员区域定位方法，应用于包括低功耗边界定位装置、低功耗接收器、标签卡、以及服务器组成的系统中，其特征在于，所述基于多传感器协同的低功耗人员区域定位方法的具体步骤为: (1)在区域边界部署低功耗边界定位装置，在区域内部署低功耗接收器，被定位人员携带标签卡，上述设备都可以支持低功耗工作，其中:所述低功耗边界定位装置与所述低功耗接收器保持时间同步，维持相同的工作周期；所述标签卡处于低功耗休眠状态； (2)低功耗边界定位装置检测到人员经过区域边界时，唤醒被定位人员携带的标签卡，记录标签卡经过区域边界事件信息，并将该信息发送至服务器； (3)被定位人员携带标签卡进入区域后与区域内部署的低功耗接收器保持周期性通f目; (4)被定位人员携带标签卡离开区域后，标签卡与区域内的低功耗接收器间的周期性通信中断，标签卡重新进入低功耗休眠状态，等待被其它区域的低功耗边界定位装置唤醒。
2.根据权利要求1所述的基于多传感器协同的低功耗人员区域定位方法，其特征在于，所述低功耗边界定位装置包括人员检测模块、低频激励模块、第一射频通信模块和第一控制模块:所述人员检测模块检测人员经过区域边界时向第一控制模块发送检测信号；所述的第一控制模块根据接收的检测信号控制低频激励模块向标签卡发送低频激励信号、控制第一射频通信模块与标签卡和区域内部署的低功耗接收器的相互通信。
3.根据权利要求2所述的基于多传感器协同的低功耗人员区域定位方法，其特征在于，所述的低功耗边界定位装置的工作过程具体包括以下步骤: (al)被定位人员携带标签卡经过区域边界时，进入人员检测模块的检测范围后，低功耗边界定位装置被唤醒； U2)低功耗边界定位装置被唤醒后，控制低频激励模块发送低频激励信号以激活人员携带的标签卡； U3)低功耗边界定位装置接收到标签卡发送的请求信息后，回复时间同步及区域内部署的低功耗接收器的工作周期信息，记录标签卡经过区域边界事件信息，并将该信息发送至服务器； (a4)被定位人员携带标签卡离开区域经过边界时，低功耗边界定位装置被再次唤醒，发送低频激励信号激活标签卡，接收到标签卡的信息后记录标签卡经过区域边界事件信息，并将该信息发送至服务器。
4.根据权利要求2所述的基于多传感器协同的低功耗人员区域定位方法，其特征在于，所述的标签卡的工作过程包括以下步骤: (bl)标签卡在服务器端与被定位人员进行绑定； (b2)被定位人员携带标签卡经过区域边界时，标签卡接收到低功耗边界定位装置发送的低频激励信号后被唤醒； (b3)标签卡被唤醒后向低功耗边界定位装置发送请求信息，接收到低功耗边界定位装置的回复信息后与低功耗边界定位装置进行时间同步，维持相同的时间相位和工作周期； (b4)标签卡进入区域后进行周期性的工作，监听并记录个区域内部署的低功耗接收器广播的信标帧，连续N个周期接收到低功耗接收器的平均信号强度最强，且平均信号强度大于进入区域阈值，则标签卡判断已经进入对应的区域，向低功耗接收器发送进入区域事件信息，标签卡进入区域内状态，其中N为大于I的自然数； (b5)标签卡处于区域内状态时，与低功耗接收器保持周期性通信，接收到低功耗接收器的信标帧时回复心跳包，表明标签卡仍处于低功耗接收器对应的区域内； (b6)被定位人员携带标签卡离开区域经过区域边界时，标签卡接收到低功耗边界定位装置发送的低频信号后被再次激励，唤醒后向低功耗边界定位装置发送请求信息； (b7)标签卡离开区域后，与低功耗接收器的通信被中断，若连续M个周期没有接收到低功耗接收器的信标帧或者接收到信标帧的信号强度小于离开区域阈值，则标签卡重新进入低功耗休眠状态，其中M为大于I的自然数。
5.根据权利要求4所述的基于多传感器协同的低功耗人员区域定位方法，其特征在于，所述的低功耗接收器的工作过程包括以下步骤: (Cl)工作周期开始后，低功耗接收器广播信标帧，广播完成后进入监听状态，等待接收进入区域内的标签卡的回复信息； (c2)接收到标签卡发送的进入区域事件信息，记录进入区域的标签卡相关信息，产生标签卡进入区域事件信息，并将该信息发送至服务器； (c3)接收到标签卡回复的心跳包，则 更新记录的标签卡相关信息； (c4)监听时间结束后，遍历记录的进入区域的标签卡信息，若连续M个周期没有接收到标签卡的心跳包或者接收到心跳包的信号强度小于设定的离开区域阈值，则判断标签卡已经离开区域，产生标签卡离开区域事件信息，并将该信息发送至服务器，其中M为大于I的自然数； (c5)遍历完成后，低功耗接收器进入休眠状态，等待下一工作周期的开始。
全文摘要
本发明公开了一种基于多传感器协同的低功耗人员区域定位方法，包括在区域边界部署低功耗边界定位装置，在区域内部署低功耗接收器；低功耗边界定位装置检测到人员经过区域边界时，唤醒被定位人员携带的标签卡，记录标签卡经过区域边界事件信息，并将该信息发送至服务器；被定位人员携带标签卡进入区域后与区域内部署的低功耗接收器保持周期性通信；被定位人员携带标签卡离开区域后，标签卡与区域内的低功耗接收器间的周期性通信中断，标签卡重新进入低功耗休眠状态，等待被其它区域的低功耗边界定位装置唤醒。本发明实现了对人员精确的低功耗区域定位，不仅可以解决目前区域定位技术误差较大的问题，而且可以降低定位过程中的功耗代价。
文档编号H04W52/02GK103179648SQ201310078678
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月11日 优先权日2013年3月11日
发明者鲁东明, 董亚波, 靳帅召 申请人:浙江大学